中温盐浴炉的设计.doc

a攀枝花学院本科毕业设计（论文） 中温盐浴炉的设计学生姓名： 学生学号： 院（系）： 材料工程学院 年级专业： 2010级材料成型及控制工程 指导教师： 助理指导教师： 二一四年五月攀枝花学院本科毕业设计（论文） 摘要摘 要 盐浴炉是一种重要的热处理设备。本设计综合插入式和埋入式电极盐浴炉的优缺点，设计中温盐浴炉。该盐浴炉用单相电极。电极被分布在坩埚两侧，电极的长、宽、高为650mm、65mm、113mm。坩埚的长、宽、高分别为650mm、515mm、450mm。盐浴炉的功率为41kw。排气装置采用单侧抽风，排气装置的抽风口的长、宽确定为273mm、91mm。 该盐浴炉结构简单，节电作用比较明显，和炉膛的利用率高。坩埚与炉子砌层间留约20mm的间隙，以便更换坩埚。关键词 盐浴炉，热处理，坩埚，电极攀枝花学院本科毕业设计（论文） ABSTRACTABSTRACT The salt bath furnace is one of the important equipment for heat treatment. This design integrated into type and buried type electrode salt bath furnace, the advantages and disadvantages of Medium temperature salt bath furnace in the design. The salt bat-h furnace adopts single phase electrode. Electrode is distributed on both sides of cru-cible, and electrode of length, width and height is 650 mm, 65 mm and 113mm. Leng-th, width and height of the crucible is 650 mm, 515 mm and 450 mm. Air exhausting device adopts unilateral convulsions, and the exhaust port of length, width is 273 mm and 91 mm.The salt bath furnace has simple structure, power saving effect is obvious, and the chamber of a stove or furnace utilization rate is high. Crucible and build by laying bricks or stones left about 20 mm space between the layers, in order to replace the crucible.Key words Salt bath furnace，heat treatment，crucible， electrode 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 目录目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1盐浴炉的发展概况11.2盐浴炉分类11.2.1插入式盐浴炉21.2.2埋入式盐浴炉21.3盐浴炉的应用3 1.4本课题研究的目的及意义32 盐浴炉的设计42.1盐浴炉设计的基本步骤42.2炉型选择42.3坩埚的尺寸确定52.3.1坩埚尺寸确定的方法52.3.2根据生产率要求确定坩埚的尺寸52.4炉体结构的设计82.4.1炉体的基本组成82.4.2炉体材料的选择和结构设计82.5盐浴炉功率的确定92.5.1盐浴炉功率的计算方法92.5.2热平衡法计算盐浴炉功率92.5.3热效率法计算盐浴炉功率102.5.4坩埚容积法计算盐浴炉功率112.6电极材料选择和电极设计122.6.1电极材料的确定122.6.2电极的参数确定及功率核算122.7变压器的选择142.8抽风装置设计142.9电极盐浴炉的起动电阻173盐浴炉设计的计算193.1坩埚尺寸计算193.2盐浴炉功率和电极的计算193.3排气装置的计算203.4启动电阻的计算204盐浴炉的基本结构图22结论24参考文献25致 谢26攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 1 绪论1.1盐浴炉的发展概况 浴炉主要用于热处理，浴炉的种类很多，按熔体介质分为铅浴炉、盐浴炉。盐浴炉工作温度范围较宽6001350，可完成多种工艺，如淬火、正火、回火、局部加热、化学热处理、等温淬火、分级淬火等。只有退火不能进行；加热速度快，温度均匀。不易氧化、脱碳；炉体结构简单，高温下使用寿命较长；能满足特殊工艺要求，对尺寸不大、形状复杂、表面质量要求高的工件，如刃具、模具、量具及一些精密零件特别适用；炉口敞开，便于吊挂、工件变形小1。 盐浴炉与其他加热设备相比有自身的特点，曾作为许多工件的加热设备，但随着科学技术的发展，新的加热设备出现，从而大量替代了盐浴炉。但是由于盐浴炉能耗过大，因而有人提出要全部替换盐浴炉。但就目前的生产状况，盐浴炉仍有其它设备不可替代的优点，特别是对那些产品种类较多或单品种但数量较少，且有不同技术要求的非批量化生产的零件，盐浴炉的存在意义就更加的明显。但与新型加热设备相比，盐浴炉确实存在着严重的污染和能源浪费问题，需要我们努力予以解决2。 盐浴炉有加热快、温度均匀控制准确;能防止氧化脱碳；可以迸行局部加热、分级等温淬火；以及炉型结构简单维修方便投资少等优点。近年来，盐炉加热虽因人造气氛炉的应用而有所减少，但我国目前热处理相当分散，大多属于中小批生产，普遍应用人造气氛炉还有很多问题。因此，盐浴炉仍然是很重要的加热设备。盐浴炉已有很长的历史，近二十年来盐浴炉结构有不少的发展与创新。我国解放50年代所用的盐浴炉基本上都是仿苏插入式电极盐浴炉和苏(B型)电加热坩埚盐浴炉，以及其它燃料加热的坩埚盐浴炉，60年代我国研制成功了埋入式金属电极盐浴炉、插埋式金属电极盐浴炉和用管状电热元件加热的低温盐浴炉，70 年代在全国普遍推广了埋入式金属电极盐浴炉，还研制了埋入式可调石墨电极盐浴炉和交错 “十字通道”盐浴炉。国外除上述盐浴炉外还有加中性板的插入式电极盐浴，具有保护电极盖板的插入式电极盐浴炉等型式。上述盐浴炉都有各自的特点及局限，因此正确选择炉型就十分重要。盐浴炉的寿命较短，经常需要改造，因此研究探讨炉的炉型结构和适用范围具有普遍意义3。1.2盐浴炉分类 盐浴炉分内热式和外热式两大类。内热式盐浴炉又分为电极盐浴炉和电热元件盐浴炉两种。其中电极盐浴炉分为插入式和埋入式两种。1.2.1插入式盐浴炉 插入式电极盐浴炉。插入式电极盐浴炉电极从坩埚上方垂直插入熔盐、熔盐中插入的一对电极，通入低电压(617.5伏)大电流(几千安培)的交流电，由熔盐电阻热效应，将熔盐加热到工作温度。 插入式存在许多缺点：炉口只有23的面积能使用，其它被电极占据，效率低，耗电量大；由于电极自上方插入，与盐面交界处易氧化，寿命短，电极损耗大；电极在一例，远离电极侧温度低；工件易接触电极，而产生过热或过烧。因此，人们研究制造了埋入式电极盐浴炉4。1.2.2埋入式盐浴炉 埋入式电极盐浴炉。埋入式电极盐浴炉将电极埋入浴槽砌体，只让电极工作面接触熔盐，在浴面之上无电极。 埋入式盐浴炉的特点： 扩大了炉膛体积，提高了生产效率和改进了产品质量。埋入式电极盐浴炉，电极安装在炉壁上，距离炉底约40mm处，炉膛体积可全部使用，每次热处理零件可增加4050% ，因此生产效率大大增加，同时，电极主要集中于炉膛下部，盐由下向上翻腾，炉温较均匀，从而提高了产品质量。 起动速度快，升温快，耗电少。从开炉至工作，插入式电极盐浴炉需45小时；埋入式电极盐浴炉只需2小时。这样减少了用电时间23小时。插入式电极浴盐炉起动时的最大电流值达120140安；工作稳定后的最大电流120130安。埋入式电极盐浴炉起动时的最大电流8095安，工作稳定后的最大电流值为8090安，耗电量降低约30%左右。 炉底平整、捞渣方便。埋入式电极盐浴炉电极均匀分布在接近炉膛底的四面炉壁内，因此炉底温度比较均匀，盐全部溶化，炉底平整，捞渣方便。插入式盐浴炉的电极使用时，电极引体易发红氧化，增大了电阻值，使工件急剧产生缩头现象，导致早期报废，对节电、省料都不利，埋入式电极盐浴炉可克服上述缺点。 材料来源容易、造价低廉。插入式电极盐浴炉需要较多的标准高铝耐火砖 ，现埋入式电极盐浴炉利用废的耐火砖和石英砂或当地河沙和耐火泥粉等材料，造价低廉，资源易取，使用效果比插入式好。 但是，目前埋入式电极盐浴炉也还存在着一些问题。电极结构比较复杂，焊接工作量大，今后应加以研究改进。以便简化电极的结构，减少焊接的工作量，便于打制炉胆；埋入式电极盐浴炉的打制过程中和操作时，劳动强度较大；炉膛下的温度略高，盐浴翻腾剧烈，细长零件放置不当时变形稍大，直径在8mm以下的细长零件加热应离炉膛边25mm外放置，防止零件变形5。1.3盐浴炉的应用 盐浴炉在热处理设备中占有很重要的位置，它是利用熔盐作为电阻发热体， 利用电极将电流引入熔盐中，当电流流过盐浴时，电能便转变为热能，使盐浴温度升高，控制电流的通断或大小，就可使盐浴保持一定的温度。盐浴炉具有加热速度快、温度均匀， 被加热的工件不与空气接触，可防止工件产生氧化与脱碳等优点。特别适用于对尺寸较小、形状复杂，热处理要求较高的工件进行淬火等处理6。1.4本课题研究的目的及意义 盐浴炉近十多年来有了很大的改进，但不管是插入式盐浴炉还是埋入式盐浴炉都存在很多的缺点，例如存在能耗浪费大、炉体寿命短、控制精度差、故障频繁、维护费用高等问题7。本设计综合插入式和埋入式电极盐浴炉的优缺点，设计中温盐浴炉，该盐浴炉是结合插入式和埋入式盐浴炉电极的一种电极布置方式， 这种设计兼顾两者的优点，既能使盐浴炉的结构简单，电极装卸方便，又能有效地利用炉膛的面积，节电作用比较明显，坩埚与炉子砌层间留约20mm的间隙，以便更换坩埚。2 攀枝花学院本科毕业设计（论文） 2 盐浴炉的设计 2 盐浴炉的设计2.1盐浴炉设计的基本步骤炉型的选择；坩埚的尺寸确定；炉体结构设计；盐浴炉功率的确定；电极材料选择和电极设计；浴炉供电变压器选择；抽风装置设计；电极盐浴炉的起动电阻。2.2炉型选择 盐浴炉一般可分为内热式和和外热式两种。在选择时主要根据生产单位的具体条件和生产工艺来确定的。外热式适宜低温热处理工艺的生产设备和一些特殊情况下的中温加热。内热式盐浴炉主要适用于中温和高温的生产工艺热处理。本设计的中温盐浴炉的加热温度范围为600950，因此选择内热式盐浴炉。 电极盐浴炉的炉型选择主要在于确定盐浴炉坩埚的形状和电极在坩埚内的位置和安装方法。目前常用的盐浴炉的坩埚形状有圆形、正方形、长方形、五角形和六角形等几种。但是圆形和六角形电极之间的距离比较大，需要较高的电压，安全性较差，只限于坩埚尺寸较小的炉子。另外因为金属的电阻比熔盐的小，电流容易通过工件，可能引起过热，甚至局部熔化，特别对具有锐利边缘或尖角的工件更易产这种情况。因而应用最广泛的是长方形。另外确定浴炉坩埚形状时，还应考虑到所用电极的形状、数目和安装方法及安装位置。目前板状和棒状是两种最常用的常用电极形状，其中棒状的断面又分为圆形和方形电极。安装方法一般可分为垂入式和埋入式两种。 由于埋入式电极盐浴炉的结构比较复杂，炉膛不宜作为圆形或多角形，一般为方形或长方形。因而本设计选用浴炉坩埚的断面形状为长方形，需要两根棒状的电极，在形长方形坩埚内布置两根电极，通入单相电源如图2.1。这种布置方法的电极电流都是流过炉膛面积的大部分，所以炉子加热温度均匀，炉膛利用率也比较好。并且单相电源的电极单位表面电负荷比三相电流小，因此其电极寿命较长。另外在电极上装有石墨套筒，从而增加了电极的灵活调节和防止电极漏盐，电极经氧化损耗后可通过炉壁推进，直到引导至正常电流为止。以上的布置方式可以提高炉膛利用率，起到节能、节电、环保和提高盐浴炉的使用寿命。 图2.1 坩埚的形状2.3坩埚的尺寸确定2.3.1坩埚尺寸确定的方法 盐浴坩埚的尺寸，通常采用生产上的经验数据来决定。主要决定于盐浴炉炉子的生产率和一次性最大装炉量。坩埚内能装盐量的多少决定了盐浴中蓄热量的大小，如果其内盐量过少，当装入工件后会使炉子内温度过度下降，但是如果盐量过多又增加炉子热能损失和提高炉子的热惰性，这样就会使炉子的升温时间变长和增加电能消耗。因而确定坩埚的尺寸常用的方法有两种。一种是按工件形状尺寸及一次装炉工件所占炉膛的尺寸范围来确定坩埚的尺寸；另一种根据盐浴炉的生产率要求确定坩埚的尺寸。2.3.2根据生产率要求确定坩埚的尺寸 确定坩埚的尺寸就要确定坩埚内装的熔盐的体积，确定熔盐的体积就要确定熔盐的重量。对于分批装料的周期作业盐浴炉，熔盐所具有的热量，一般需保证工件装炉后熔盐下降的温度不超过1020。熔盐的重量与每小时处理的工件重量成正比: G = Kd (kg) 式（2.1） 上式中G熔盐总重量（kg)； d盐浴炉的生产率（kg/h）； K系数。 高温盐浴炉：K=1.01.5(工件需要预热)。中温盐浴炉：K=2.03.0(室温条件下)。 由于本设计为中温盐浴炉，因此K=2.03.0。根据熔盐的总重量，可以算出在工作温度下的熔盐体积： 式（2.2） 上式中V工作温度下的熔盐的体积 （L）； r工作温度下的熔盐的密度（kg/L）。 r见表2.18。表2.1 常用熔盐的物理性质 物理性质熔点（）工作温度密度kg/m3固体比热容（千卡/千克度）液体比热容（千卡/千克度）溶解热（千卡/千克）碱金属亚硝酸盐+硝酸盐 1451700.320.3730.5碱金属硝酸盐17018000.320.3655碱金属氯化物+碳酸盐59019000.230.3488碱金属氯化物67016000.200.26160碱金属+碱土金属氯化物55022800.140.1882.5碱土金属氯化物96029700.090.1243.5 设炉膛的尺寸为长宽高=LBH。 熔盐的体积为 式（2.3） 式中 L为长方形断面坩埚的长度； B为长方形断面坩埚的宽度； C熔盐表面到炉膛口的距离，约为50100mm。 选择装料方法和确定料筐尺寸应先依工件的形状尺寸和性能要求选择向炉中装料的方法。根据一次装料量和装料方法就可以确定出装料筐(或炉子装料范围)的尺寸(参考图2.2)。通常都考虑装料筐截面为正方形(长方形坩埚)或圆形(圆筒形坩埚)。本设计载料筐截面选择为长方形。 图2.2 电极盐浴炉的坩埚尺寸 为了装料方便，避免碰撞坩埚内壁和保证加热均匀，坩埚与装料筐之间应保持一定距离。通常此距离可取50mm左右，即 B=b+250mm 式（2.4）式中b装料筐(或装料范围)宽度mm。 埋入式电极盐浴炉坩埚长度通常指坩埚横截面电极一边向前到对边的距离。坩埚的长度除了要和宽度一样保证顺利装料外，还要留出安放电极的位置，电极与载料筐之间也要保持一定距离，常常取50mm，因此 L=a+250mm 式（2.5）式中 L坩埚长度，mm； a装料筐长度。mm。 坩埚深度可依下面的公式进行计算： 式（2.6）式中坩埚深度(mm)；盐浴面以下深度(mm)；浴面至坩埚上口距离，一般50100mm，有强烈磁流循环时，100150mm。上公式中的可通过下式进行计算： 式（2.7）式中 熔盐体积（mm）； 工件和料筐(或夹具)体积(m3)； 电极浸入熔盐部分的体积，对埋入式电极=0。 通过以上的方法可以计算出所设计盐浴炉的坩埚的基本尺寸。2.4炉体结构的设计 2.4.1炉体的基本组成 电极盐浴炉的炉体基本结构与普通电阻炉特别是立式电阻炉基本上一致，它们都是有炉架、炉胆、炉壳、保温层和炉盖等部分组成。其区别是在盐浴炉的炉体中另加了盛装盐液的坩埚，或加上电极装置。2.4.2炉体的材料选择和结构设计 盐浴炉的炉体各个组成部分材料的选择非常重要，直接影响到盐浴炉的性能的好坏。下面来介绍下炉体各部分所需的材料。 炉体的炉架主要由角钢焊接而成，是炉子的骨架。在上面焊接炉壳，并常作为某些附属机械设备、电极和仪表的支架。 炉胆可用68mm厚钢板连续焊接而成。对于大型高温盐浴炉炉胆四周，最好再包焊角钢，以免胀裂漏盐。侧埋式盐浴炉的电极从后面引出，炉胆后侧面应开孔。孔的尺寸每边应较电极大10mm，以防电极与炉胆相碰短路。 炉壳由炉架与钢板组成。先根据要求，用角钢焊成炉架。炉架的内侧应为一平面，在炉架的底部及四周焊上钢板即得到炉壳。炉底钢板承受的负荷较大，一般用58mm厚的钢板，四周钢板的厚度为34 mm。侧埋式盐浴炉的后侧面钢板较厚，并做成可拆式的。为保持炉面整洁，有的盐浴炉用厚度为56 mm的钢板作炉面板。并利用螺钉与炉架连接，做成可拆式连接。炉壳底部焊有两段工字钢或槽钢，高度为5080mm，它起到支承炉体作用和防止炉体直接对地面传热。 炉体的保温层内层为耐火砖，外层为隔热砖。炉壳与隔热砖之间常留有约1012mm的空隙，填以石棉绒或其他隔热材料，底部填一层厚约35mm的石棉板。这样不但有利于隔热保温，也可以对炉体的膨胀起缓冲作用。 坩埚在用钢板焊接成的炉胆内用耐火材料砌成或用钢和铸铁铸造或焊接而成。埚有金属坩埚和耐火材料坩埚两大类。电极盐浴炉所用的金属坩埚通常是有低碳钢、合金钢或铸铁铸造或焊接而成。铸造坩埚通常成圆筒形，焊接坩埚通常用钢板焊成长方形或正方形。金属坩埚的壁厚应均匀一致，形状应平滑成流线形，不存在尖锐边缘和棱角，焊缝应尽量减少，并采取双面焊接，以保持严密，防止漏盐。由于金属坩埚使用寿命较短，只用于工作温度较低的炉子或采用氰盐、碳酸盐或苛性碱等作加热介质的炉子，因而现在很少使用。 耐火材料坩埚的材料主要有耐火砖和耐火混凝土两种。砖砌坩埚一般采用标准重质耐火粘土砖或重质高铝砖。连续使用的盐浴炉及高温盐浴炉，采用高铝砖砌坩埚，使用寿命较长。在砌筑时必须错开砖缝，同时砖缝要小，一般要求不大于1mm，最好采用专门的耐火泥浆作为粘结剂。目前，大量使用的有磷酸盐耐火混凝土和矾土水泥耐火混凝土两种。两种混凝土相比磷酸盐耐火混凝土具有高强度、高耐火度、良好的高温韧性和热稳定性9。因而本设计坩埚的材料选用耐火砖。坩埚的厚度与炉子的工作温度和所用耐火材料的种类有关，具体可参考下表2.210。表2.2 坩埚的材料选择工作温度（）耐火层厚度（mm）绝热层厚度（mm）耐火混凝土耐火砖1506501501801802001001506501000160230180230120160100013501802502202701402002.5盐浴炉功率的确定 2.5.1盐浴炉功率的计算方法 盐浴炉功率大小是关系到炉子能否正常工作的一个重要技术指标，但是目前尚无一种简易准确的计算方法来确定电极式盐浴炉的功率。盐浴炉与电阻炉一样，它的功率通常都用经验方法确定。常用的计算方法有以下三种：热平衡法；热效率法；坩埚容积法。 2.5.2热平衡法计算盐浴炉功率盐液炉所需的总功率为各项热量支出所消耗功率之和。炉子的功率消耗主要包括以下几项：加热工件热能消耗；加热工夹具的能量消耗；炉墙和炉底的热损失；盐液表面的辐射热损失；炉子砌体和熔盐蓄热；其他热损失。其中第项热损失主要影响到炉子的升温时间，通常不计算在内，第热损失也常常合并到第一项内一同计算。因而盐浴炉的总功率为， 式（2.8）式中 P盐浴炉的总功率(kw)； P1工件与夹具吸收热量消耗的功率(kw)； P2盐浴表面辐射热损失消耗的功率(kw)，此值可从表2.3中先查得单位盐液表面积上损失的功率，然后乘上盐液总表面积而得到； P3炉壁和炉底的导热损失的功率(kw)，此值也可从表2.3中先查出单位壁面上的损失功率，然后乘以总壁面面积而求得； P4其他热损失所需的功率(kw)，如电极柄、熔盐蒸发等损失的功率，此项功率损失通常估计为前三项之和的10%20%，即 用热平衡方法计算浴炉的功率过于麻烦而且不准确，计算结果与实际出入很大。根据熔盐的容积来估计浴炉的功率还是一种简便可行的方法，在一般情况下还有一定参考价值的11。表2.3 电极盐液的盐液面和炉壁表面的散热损失炉子工作温度（）散热损失（kw/m2）盐液表面炉壁表面59573587010101150129030.253.897.5163236332.51.62.042.583.03.657.932.5.3热效率法计算盐浴炉功率 热效率计算法首先要算出加热工件所需的有效功率，然后按下式计算炉子的总功率。 (kW) 式（2.9）式中 辅助操作和修理炉子的热损失系数： t炉 。 故炉膛尺寸符合，可以暂时定为650515450mm。 根据炉膛尺寸为650515450mm；熔盐容积应V=6.505.153.5=117.16升。 查表2.5得=0.35，则 =0.35117.16 41千瓦。 变压器容量S =121.241 = 49.2千伏安，参考表2.8可知选ZUDG503型变压器(变压器容量为50千伏安)。 为了便于砌砖，电极高度暂定113mm，电极长度(与熔盐接触部分)为650mm，厚65mm；两电极间距离515mm；变压器次级最大绕组由并联改为串联，使二次最高电压为35伏；由表2.7查得35BaCl2+30NaCl的电阻率=3210m，N=0.72。则 瓦 变压器分接开关接在最高档时，浴炉能获得的最大功率与变压器额定容量之比为：S = 75.6 ：49.2 1.54。 变压器分接开关接在最高档时，二次电压为35伏，盐浴炉能获得最大功率攀枝花学院本科毕业设计（论文） 3 盐浴炉设计的计算 为7